UNIDAD 3 en acción. Proteínas - adistanciaginer · 74 La membrana plasmática 3 en acción....

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La membrana plasmáticaen acción. Proteínas3

UNIDAD

n esta Unidad completamos el estudio de las

membranas celulares que iniciamos en la

Unidad anterior, analizando la estructura y la

función de las proteínas de membrana.

Las proteínas son, después del agua, las biomoléculas

más abundantes en los seres vivos; aproximadamente

componen el 50 por ciento del peso seco de una célula.

Se hallan en todas las estructuras biológicas

desempeñando gran variedad de funciones; por

ejemplo, las proteínas de la membrana celular participan

en el reconocimiento de las sustancias del medio, en

la regulación de la entrada de esas sustancias al interior

celular… El intercambio de sustancias entre las células

y el medio está asociado, en la mayoría de los casos,

a proteínas de membrana que forman canales o que

actúan como estructuras transportadoras.

Con el estudio de esta Unidad nos proponemos alcanzar los siguientes objetivos:

1. Conocer la composición básica de las proteínas, su estructura, propiedades y principales

funciones biológicas.

2. Reconocer a los aminoácidos como los monómeros o unidades estructurales constituyentes

de las proteínas, aunque también pueden ejercer otras funciones.

3. Identificar la relación existente entre la conformación espacial de las proteínas y las

propiedades biológicas que presentan.

4. Reconocer la importancia de las proteínas presentes en las membranas celulares para el

mantenimiento de las funciones de la célula.

5. Diferenciar los tipos de transporte que se pueden dar a través de las membranas celulares.

6. Relacionar las funciones que desempeñan los receptores de membrana y los sistemas

de transducción de señales en la comunicación intercelular.

7. Describir la estructura y el funcionamiento de los retículos endoplasmáticos liso y rugoso y

del aparato de Golgi.

E

Ilustración 3.1

Esquema del funcionamiento de una membrana semi-permeable (como el epitelio capilar, en amarillo en la imagen).A la izquierda, la sangre y distintos componentes como losglóbulos rojos. A la derecha, espacio intercelular.(Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki)

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1. PROTEÍNAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761.1. Los aminoácidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

1.2. El enlace peptídico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

1.3. Estructuras de las proteínas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

1.4. Propiedades de las proteínas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

1.5. Clasificación de las proteínas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

1.6. Funciones de las proteínas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

2. TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902.1. Proteínas de la membrana plasmática y procesos de transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

2.2. Modalidades de transporte pasivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

2.3. Modalidades de transporte activo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

2.4. Transporte vesicular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

2.5. Transporte a través de células epiteliales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

Í N D I C E D E C O N T E N I D O S

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LA MEMBRANA PLASMÁTICA EN ACCIÓN. PROTEÍNAS

3UNIDAD

1. ProteínasLas proteínas son macromoléculas complejas, de elevada masa molecular. Desde el punto de vista químico

están formadas por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N), aunque casi todas tienen ademásazufre (S). En algunas proteínas podemos hallar otros elementos, como el hierro (Fe) en la hemoglobina, el selenio(Se) en las selenoproteínas, el fósforo (P) en las fosfoproteínas (como la caseína de la leche), el zinc (Zn), el cobre(Cu)... De los bioelementos citados el más característico es el N, siendo las proteínas, junto con los ácidos nucleicosque estudiaremos en la Unidad 4, los compuestos nitrogenados más importantes de los seres vivos.

1.1. Los aminoácidosLos aminoácidos son los monómeros o unidades estructurales que, enlazados entre sí, dan lugar a gran número

de proteínas distintas.

Los aminoácidos se caracterizan por la presencia de un átomo de carbono llamado carbono α al que se hallanunidos [véase la ilustración 3.2]:

● Un grupo carboxilo (–COOH).

● Un grupo amino (–NH2).

● Un átomo de hidrógeno (H).

● Una cadena lateral (R).

Con una sola excepción —cuando R es un átomo de H— elcarbono α es asimétrico, pues tiene sus cuatro valencias unidasa radicales diferentes; por tanto, los aminoácidos son ópticamenteactivos y presentan estereoisomería.

Todas las proteínas están formadas por la repetición de únicamente 21 aminoácidos (22 en ciertos procariotas)denominados proteinogénicos, o por derivados de éstos —como la hidroxiprolina o la N-formilmetionina—. Sinembargo, en la naturaleza se han identificado hasta 150 aminoácidos o derivados de aminoácidos (véase el recuadro“Aminoácidos no proteinogénicos”).

Clasificación de los aminoácidos

Los aminoácidos proteinogénicos se clasifican en siete grupos atendiendo a las propiedades químicas (polaridady carga eléctrica incluidas) de la cadena lateral R [véase la ilustración 3.3]:

● Grupo I. Aminoácidos alifáticos o neutros. Son, salvo la glicina, apolares. Sus cadenas laterales,hidrofóbicas, están formadas solo por carbono e hidrógeno. En este grupo se incluyen la isoleucina (desímbolo Ile), la leucina (Leu), la valina (Val), la alanina (Ala) y la glicina (Gly).

● Grupo II. Tioaminoácidos. Presentan en su cadena lateral un átomo de azufre. Este grupo incluye la cisteína(Cys), que es polar pero neutra, y la metionina (Met) que es apolar. La selenocisteína (Sec) es similar a lacisteína, aunque el azufre ha sido sustituido por selenio.

Ilustración 3.2

Fórmula general de un aminoácido.(Fuente: ASH)

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● Grupo III. Aminoácidos aromá-ticos. Son apolares o poco polares,y su cadena lateral presenta unanillo bencénico que absorbe luz UVen torno a los 280 nm. A este grupopertenecen el triptófano (Trp), latirosina (Tyr) y la fenilalanina (Phe).

● Grupo IV. Iminoácidos. Son pocopolares. El grupo amino se une a lacadena lateral y forma una aminasecundaria (imina) con estructuracíclica. Este grupo solo incluye laprolina (Pro).

● Grupo V. Aminoácidos polaresneutros. Contienen un grupo hidro-xilo o amino en la cadena lateral, loque les confiere carácter polar. Latreonina (Thr), la serina (Ser), laasparagina (Asn) y la glutamina(Gln) son los aminoácidos de estegrupo.

● Grupo VI. Aminoácidos ácidos.Son muy polares, y a pH 7 sucadena lateral se halla cargadanegativamente. Incluyen el ácidoaspártico (Asp) y el ácido glutámico(Glu).

● Grupo VII. Aminoácidos básicos.Son muy polares, ya que la cadenalateral está cargada positivamentea pH 7. Incluyen la arginina (Arg), lahistidina (His), la lisina (Lys) y, quizá,la pirrolisina (Pyl).

Las células del cuerpo humano soncapaces de sintetizar la mayor parte de losaminoácidos a partir de otras moléculas.Sin embargo, existe un pequeño grupo deaminoácidos, llamados esenciales, quedeben ser incorporados a través de la dieta.En un adulto, los aminoácidos esencialesson la treonina, la lisina, la valina, la leucina,la isoleucina, la metionina, el triptófano y lafenilalanina. Además, para los lactantes también son esenciales la arginina y la histidina.

Ilustración 3.3

Formulas, nombres y símbolos de los 22 aminoácidos proteinogénicos, ordenados según suhidrofobicidad. La pirrolisina solo se detecta en procariotas conocidos como arqueas metanógenas.(Fuente: ASH)

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Propiedades de los aminoácidos

Las características estructurales y químicas de los aminoácidos son responsablesde sus propiedades, entre las que destacan las siguientes:

● Estereoisomería. El carácter asimétrico del carbono α origina dos isómerosespaciales. Por convención, si en una fórmula plana se escribe el grupocarboxilo y la cadena lateral R hacia arriba y abajo del carbono α,respectivamente, entonces el grupo NH2 se representará a la derecha en elestereoisómero D, y a la izquierda en el L. Los aminoácidos de las proteínasson todos del tipo L, aunque existen excepciones en pequeñas proteínas dela pared bacteriana.

De los 21 o 22 aminoácidos proteinogénicos no presentan isomería espacialla glicina (Gly), que carece de carbono asimétrico, y la prolina (Pro), que noresponde a la fórmula general de la ilustración 3.2, ya que su cadena lateralalifática (–CH2–CH2–CH3) se cicla uniéndose al grupo amino [véase la ilustración 3.3].

● Actividad óptica. Excepto la glicina (Gly), que no posee un carbono α asimétrico, el resto de los aminoácidosson capaces de desviar el plano de la luz polarizada hacia la derecha (dextrógiros, +) o hacia la izquierda(levógiros, –). Al igual que ocurre con los monosacáridos, no existe una relación directa entre las formasespaciales D y L y la actividad óptica: un L-aminoácido podrá ser dextrógiro o levógiro, y lo mismo sucedecon los D-aminoácidos.

● Carácter anfótero. Una molé-cula es anfótera si puede actuarcomo ácido o como base,dependiendo del pH del medio.Un aminoácido, al poseer ungrupo –COOH, presenta carácterácido y puede ceder un H+, pero,al mismo tiempo, la presencia deun grupo amino (–NH2), leconfiere carácter básico y lepermite aceptar un H+.


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Ilustración 3.4

Estereoisómeros de un aminoácido.(Fuente: ASH)

Aminoácidos no proteinogénicos

Además de ser las unidades básicas de las proteínas, existen aminoácidos no proteinogénicos que desempeñan funcionesbiológicas muy importantes. Algunos actúan como neurotransmisores, participando en la transmisión del impulso nervioso;son ejemplos el ácido aminobutírico (derivado del ácido glutámico) y la dopamina o la noradrenalina (ambos derivadosde la tirosina). Otro derivado de la tirosina, la tiroxina, segregada por la glándula tiroidea, tiene acción hormonal. Lahistamina (derivado de la histidina) actúa como hormona local y, como veremos en la Unidad 10, está implicada en larespuesta en ciertos procesos alérgicos. Existen otros aminoácidos no proteínicos como la ornitina, la citrulina y lahomocisteína, que desempeñan importantes funciones metabólicas.

Ilustración 3.5

Formula zwitterionica de un aminoácido y su comportamiento anfótero. (Fuente: ASH)

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Así, los grupos –COOH y –NH2 estarán ionizados (–COO¯ y –NH3+) a pH fisiológico (7,4), y los aminoácidos

aparecerán como iones dobles o zwitteriones [véase la ilustración 3.5]; a pH ácido tendrán carga netapositiva, ya que el –COO¯ captará un H+ y se convertirá en –COOH; y a pH básico tendrán carga negativa,al convertirse el grupo –NH3

+ en –NH2. No obstante, las cadenas laterales de algunos aminoácidos puedenceder o captar H+, lo que alterará su carga neta. El pH para el cual un aminoácido tiene carga neta cerose llama punto isoeléctrico, y dependerá de cuál sea su cadena lateral.

1.2. El enlace peptídicoLos aminoácidos se unen para formar proteínas mediante reacciones de condensación en las que los grupos

carboxilo y amino de dos aminoácidos distintos establecen un enlace de tipo amida, denominado enlace peptídico,liberando una molécula de agua [véase la ilustración 3.6].

El enlace peptídico se comportacomo un doble enlace, es decir, presentacierta rigidez que impide el giro libre asu alrededor. Esto se debe a la existenciade resonancia, esto es, a que el oxígenocarbonílico y el nitrógeno amidacomparten parcialmente dos pares deelectrones, tal y como se explica en lailustración 3.7.

Mediante este enlace, que sitúa en un mismo plano a los cuatro átomos implicados, se encadenan los aminoácidospara formar polímeros llamados péptidos: dipéptidos (dos aminoácidos), tripéptidos (tres aminoácidos)… Lospéptidos se conocen como oligopéptidos si poseen entre dos y diez aminoácidos, y polipéptidos si poseen másde diez. Hablamos de proteínas cuando los polipéptidos tienen más de cien aminoácidos o una masa molecularsuperior a 5 000 u1.

Ilustración 3.6

Formación de un enlace peptídico (sombreado).(Fuente: ASH)

Ilustración 3.7

Formas resonantes de un enlace peptídico.(Fuente: ASH)

1 El símbolo u representa la unidad de masa atómica, definida como la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12. Su valoraproximado es de 1,661 × 10–24 g. Si la masa molecular de una proteína es de 5 000 u, un mol de dicha proteína tendrá una masa de5 000 g. A menudo se denomina dalton (símbolo Da) a la unidad de masa atómica.

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Como ejemplo de péptidos pequeños podemos citar la insulina, una hormona producida por el páncreas queregula los niveles de glucosa en la sangre y que consta de dos cadenas de 21 y 30 aminoácidos; la encefalina, con5 aminoácidos, un neurotransmisor producido por las neuronas cerebrales que elimina sensaciones dolorosas, yla occitocina u oxitocina, una hormona hipofisaria de 9 aminoácidos que induce las contracciones del útero en elmomento del parto.

1.3. Estructuras de las proteínasPese a la rigidez de los enlaces peptídicos, una proteína podría, en principio, adoptar múltiples conformaciones

—disposiciones espaciales de sus átomos que pueden lograrse sin romper ningún enlace covalente—, ya quelos enlaces con el carbono α son simples y, por tanto, girarían libremente en respuesta al movimiento térmicoambiental [véase la ilustración 3.7]. Sorprendentemente, en las condiciones biológicas normales de pH y detemperatura, las cadenas polipeptídicas suelen poseer una única conformación nativa, que además es la responsablede su función biológica: una alteración de dicha conformación nativa significaría una pérdida de funcionalidad.

Entender esta aparente paradoja pasa por estudiar con detalle la estructura de las proteínas que, por comodidad,dividiremos en varios niveles de complejidad creciente:

1) Estructura primaria. Se refiere a la secuencia lineal de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Lascadenas peptídicas están polarizadas, esto es, tienen dos extremos bien definidos: un extremo N-terminal,que presenta el grupo amino libre (por convenio suele escribirse a la izquierda), y un extremo C-terminal,que tiene el grupo carboxilo libre (a la derecha). Un ejemplo de secuencia peptídica sería:

H2N–Asp–Phe–Met–Cys–Pro–Lys–Asn–Ala–His–COOH

Reconocimiento de proteínas

Para el reconocimiento de proteínas se utilizan diversos métodos, entre los que podemos destacar:

Reacción xantoprotéica. Permite determinar la presencia en una proteína de aminoácidos aromáticos, como la tiroxinao el triptófano, aunque no la cantidad. Para ello se utiliza ácido nítrico concentrado, que reacciona con los grupos aromáticosformando compuestos nitrogenados de color amarillo. Si posteriormente se neutraliza la reacción con un álcali, la muestraadquiere color amarillo anaranjado.

Reacción de Biuret. Se utiliza para detectar la presencia de proteínas, péptidos cortos y otros compuestos que presentenenlaces peptídicos. El reactivo utilizado está formado por hidróxido potásico (KOH), que proporciona un medio alcalinopara que la reacción tenga lugar, sulfato cúprico (CuSO4) y tartrato de sodio y potasio (KNaC4O6). Los pasos a seguirson los siguientes:

1. Se toma un tubo de ensayo y se colocan tres centímetros cúbicos de, por ejemplo, clara de huevo, sustancia muyrica en una proteína llamada albúmina.

2. Se añaden 2 centímetros cúbicos de solución de hidróxido de sodio al20 %.

3. Más adelante se agregan 4 ó 5 gotas de solución de sulfato cúpricodiluida al 1 %.

4. Aparece un color violeta propio de la reacción positiva.

Si repetimos la experiencia con otras sustancias, la intensidad del color puede variar dependiendo de la complejidadde las proteínas.

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La estructura primaria es de gran importancia porque de ella dependen en buena medida todos los demásniveles estructurales. La alteración de la secuencia de aminoácidos de un polipéptido dará lugar a unaproteína distinta que podría realizar una función diferente o —mucho más frecuentemente— perder suactividad biológica. Incluso dos polipéptidos serán diferentes, aún teniendo los mismos aminoácidos, si éstosestán situados en un orden distinto.

2) Estructura secundaria. Este término alude a la conformación local de algunas regiones del polipéptido; esdecir, a la disposición regular de los aminoácidos en un segmento de la cadena polipeptídica, en la que cadaaminoácido se relaciona espacialmente con sus vecinos de la misma manera. Una sola proteína podráexhibir distintas estructuras secundarias en diferentes tramos de su cadena polipeptídica; dependerá sobretodo de las cadenas laterales R, ya que su tamaño y su carga puedenimponer restricciones al libre giro en torno a los enlaces no peptídicos.Por tanto, solo serán estables aquellas estructuras secundarias enlas que los átomos de la proteína puedan acomodarse en el espaciodelimitado por las citadas restricciones, de modo tal que se formenenlaces de hidrogeno intracatenarios entre los grupos –C=O y –NHde diferentes enlaces peptídicos. En ausencia de tales interaccionesestabilizadoras habrá un enrollamiento aleatorio o cadena estadística,sin estructuras secundarias bien definidas.

Solo unas cuantas estructuras secundarias están distribuidasampliamente. Entre ellas destacan la hélice alfa, la hélice de colágeno,la lámina beta plegada y los giros beta.

● Hélice alfa o α-hélice. La cadena de aminoácidos se enrollasobre sí misma, en forma de hélice que gira en sentido dextró-giro (hacia la derecha), debido a la especial disposición en que se van orientando los aminoácidos alenlazarse, y que determina que cada plano que contiene un enlace peptídico realice un giro de unos120º respecto al plano anterior. Los enlaces de hidrógeno que se establecen entre el –C=O de un ami-noácido y el –NH del cuarto aminoácido siguiente son los responsables de estabilizar la estructura. Laα-queratina, muy abundante en las células epidérmicas, es un ejemplo de proteína que solo tieneestructura de α-hélice.

● Hélice del colágeno. A diferencia de la α-hélice, se trata de una hélice levógira —que gira a la izquier-da—. Además, la hélice está más distendida, debido fundamentalmente a la abundancia de los amino-ácidos prolina e hidroxiprolina, con cadenas laterales muy voluminosas, que dificultan la formación deenlaces de hidrógeno intracatenarios.

● Lámina β. Es una conformación más relajada en forma de hoja plegada en zigzag, en la que variossegmentos extendidos, de 5 a 8 aminoácidos de longitud, se disponen de manera adyacente y se unenmediante enlaces de hidrógeno [véase la ilustración 3.9]; los grupos R de los aminoácidos se sitúanalternativamente por encima y por debajo de la lámina plegada. Los segmentos adyacentes que for-man la lámina β suelen estar próximos en la estructura primaria de la proteína, pero pueden tambiénsituarse en regiones alejadas, e incluso pueden pertenecer a diferentes cadenas polipeptídicas.

Además, dos hebras adyacentes pueden seguir la misma dirección (disposición paralela) o direccionesopuestas (antiparalela). La fibroína o β-queratina de la seda es una proteína típica que presenta estaestructura.

Ilustración 3.8

Esquema de la α-hélice de una proteína de un inovirus.(Fuente: ASH)

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● Giros β. Son estructuras secundarias en forma de U, formadas por cuatro restos de aminoácido y esta-bilizadas por un enlace de hidrógeno que se establece entre el –C=O del primer aminoácido y el –NHdel cuarto.

Ilustración 3.9

Esquema representativo de una lamina β.(Fuente: ASH)

Ilustración 3.10

Estructuras supersecundarias: motivos βαβ, grecas, meandros y motivos hélice-bucle-hélice. (Fuente: ASH)

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Abundan en las regiones de la cadena polipeptídica en las que se da un cambio brusco de dirección; sunombre obedece a que son típicas de las zonas de conexión de los extremos sucesivos de dos segmentosde una proteína con conformación β-laminar (lógicamente, en este caso, los segmentos estarán dispuestosde modo antiparalelo).

3) Estructuras supersecundarias. Conocidas frecuentemente como motivos estructurales, se trata deagrupaciones muy estables de varias estructuras secundarias y de las conexiones entre ellas. Se hallan ennumerosas proteínas; a menudo un motivo se repite en una misma proteína, y se conocen motivos queengloban a una proteína entera. Son típicos los motivos βαβ, los meandros, las grecas y los motivoshélice-bucle-hélice [véase la ilustración 3.10].

4) Estructura terciaria. Es la disposición tridimensional global de todos los átomos de una cadena polipeptídica.Mientras que la estructura secundaria alude al ordenamiento de restos de aminoácidos adyacentes en lasecuencia de aminoácidos, en la estructura terciaria se dan interacciones de largo alcance, esto es, entreaminoácidos muy alejados en la estructura primaria (y alojados quizá en diferentes estructuras secundarias).Dichas interacciones, que estabilizan la estructura terciaria, no involucran a los grupos –C=O y –NH delos enlaces peptídicos, sino a las cadenas laterales R; y tampoco se limitan a enlaces de hidrógeno, sinoque incluyen:

● Enlaces covalentes, que pueden deberse a la formación de un enlace disulfuro entre los grupos –SHde dos residuos de cisteína, gracias a la reacción:

o a la formación de un enlace amida (–CO–NH–) entre el grupo –NH3+ de la cadena lateral de la lisina

y el grupo –COO¯ del ácido aspártico o del glutámico.

● Enlaces no covalentes, que pueden ser de tres tipos:○ Fuerzas electrostáticas entre cadenas laterales ionizadas con cargas de signo opuesto.○ Enlaces de hidrógeno entre cadenas laterales polares pero

no iónicas.○ Interacciones hidrofóbicas y fuerzas de Van der Waals entre

cadenas laterales apolares que estén suficientemente próxi-mas (ya que se trata de interacciones muy débiles).

5) Dominios. Las cadenas polipeptídicas de gran tamaño se dividen amenudo en diferentes regiones conocidas como dominios estruc-turales, que suelen desempeñar funciones distintas (por ejemplo, undominio puede ser el responsable de la actividad catalítica de unaproteína, en tanto que otro se encarga de la fijación de ciertas moléculas).Cada dominio consta de 40 a 350 restos de aminoácidos organizadosen varias estructuras secundarias o supersecundarias y se pliegaindependientemente del resto a medida que se sintetiza la cadenapolipeptídica. La disposición de los dominios de una proteína, cada unocon su propia estructura terciaria, se conoce a veces como su estructurasuperterciaria.

Ilustración 3.11

La hemoglobina es una proteína con estructura cuater-naria: incluye dos cadenas denominadas α y otras dosβ, unidas cada una a un grupo hemo. (Fuente: ASH)

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Muchos dominios mantienen su estructura tridimensional correcta incluso cuando se separan del resto dela cadena polipeptídica, lo que ha facilitado el intercambio artificial de dominios entre varias proteínaspara construir proteínas quiméricas. Este proceso parece haber sucedido también de forma natural: numerosasproteínas muestran señales de haber evolucionado a través de la unión de dominios preexistentes que sehan “barajado” entre sí, generando nuevas combinaciones. Ciertos dominios particularmente móviles a lolargo de la evolución reciben el nombre de módulos proteínicos.

6) Estructura cuaternaria. Diversas proteínas constan de una sola cadena polipeptídica, pero otras, conocidascomo proteínas con subunidades múltiples, poseen varios polipéptidos asociados por enlaces no covalentes—a veces, como ocurre en las inmunoglobulinas o anticuerpos, los polipéptidos individuales se unen medianteenlaces disulfuro; entonces no se consideran subunidades y se denominan simplemente cadenas—. Ladisposición de los polipéptidos en complejos tridimensionales constituye la estructura cuaternaria de laproteína.

Según el número de subunidades diremos que la proteína es un dímero (si posee dos), un trímero (si tienetres), un tetrámero, un pentámero… A menudo la proteína consta de una subunidad que se repite llamadaprotómero, formada a su vez por una o varias cadenas polipeptídicas. Por ejemplo, la hemoglobina [véasela ilustración 3.11] puede considerarse, bien como un tetrámero de cuatro subunidades polipeptídicas —dos cadenas α y dos β—, bien como un dímero de protómeros αβ.

Proteínas fibrosas y globulares

La estructura de las proteínas puede organizarse de mo do tal que podemosdistinguir dos tipos de proteínas:

A) Proteínas fibrosas [véase la ilustración 3.12]. Son proteínas cuyascadenas polipeptídicas se disponen en forma de hebras alargadas ysuelen formar parte de estructuras de soporte y protección (como laqueratina o el colágeno). Debido a su elevada proporción deaminoácidos hidrofóbicos, las proteínas fibrosas son insolubles enagua. Constan mayoritariamente de un único tipo de estructurasecundaria, que es la que domina su estructura terciaria; en general,ésta se limita a introducir torsiones longitudinales.

Por ejemplo, el eje de una hélice de α-queratina experimenta unatorsión para formar una superhélice levógira, es decir, en sentidoopuesto al de la propia α-hélice; la torsión se debe a que dos α-hélicesse enrollan una alrededor de otra, lo que constituye un ejemplo deestructura cuaternaria. También la hélice levógira del colágeno —estructura secundaria— forma una superhé-lice dextrógira —estructura terciaria— al enrollarse entre sí tres cadenas de colágeno —estructura cuaternaria—. Esta disposición confiere gran resistencia a dichas proteínas, de modo similar a como las cuerdas paraformar una soga más resistente; por esa razón suelen formar muchas estructuras de soporte, como lostendones o la matriz de los huesos.

B) Proteínas globulares [véase la ilustración 3.11]. Se trata de proteínas con funciones generalmente dinámicas(enzimas, proteínas transportadoras, reguladoras…) que se pliegan hasta alcanzar una forma más o menosesférica. Contienen a menudo varios tramos de α-hélice, láminas β, giros β y estructuras supersecundariasque alternan con regiones de cadena estadística. En el plegamiento, las cadenas laterales apolares seorientan hacia el interior de la molécula evitando las interacciones con el agua, y forman un núcleo compactocon carácter hidrofóbico; en cambio, las cadenas laterales de los aminoácidos polares se localizan en lasuperficie de la molécula, razón por la cual las proteínas globulares suelen ser solubles en agua. La excepcióncorresponde a las proteínas de membrana inmersas en un ambiente apolar (lipídico), en las que losaminoácidos hidrofóbicos se situarán en la superficie.


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Ilustración 3.12

Fibras de queratina observadas con un micros-copio confocal, en un carcinoma producido encélulas embrionarias.(Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki)

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Las estructuras cuaternarias son frecuentes en las proteínas globulares, donde subunidades diferentes puedenllevar a cabo funciones distintas aunque relacionadas (por ejemplo, una subunidad es catalítica y otra regula suactividad).

Relación entre la estructura tridimensional de una proteína y su actividad biológica

La función de una proteína depende críticamente de un correcto plegamiento, y éste, a su vez, es consecuenciade la secuencia de aminoácidos (estructura primaria). Así pues, el cambio de un aminoácido por otro puede significarun plegamiento diferente, al alterarse alguno de los enlaces y, en consecuencia, una alteración de la estructurabiológicamente activa.

El proceso de plegamiento está favorecido termodinámicamente, ya que la cadena polipeptídica tiende a buscarla conformación más estable y de menor energía libre. Sin embargo, rara vez una proteína se pliega espontáneamentede forma correcta; en muchos casos se requiere la asistencia de proteínas especializadas, las chaperonas, quefacilitan al polipéptido un microentorno en el que pueda tener lugar el plegamiento. Se ha observado que en algunaspatologías degenerativas del sistema nervioso como la enfermedad de Alzheimer o las encefalopatías espongiformes,y en otras como la fibrosis cística, se producen plegamientos erróneos en ciertas proteínas.

1.4. Propiedades de las proteínasAl estar implicados los grupos carboxilo y amino de los aminoácidos en la formación del enlace peptídico (salvo

en los extremos N-terminal y C-terminal), las propiedades de una proteína dependerán de las cadenas lateralesde sus aminoácidos. Entre dichas propiedades destacan:

Solubilidad. Las proteínas, en especial las globulares, forman dispersiones coloidales en soluciones acuosasdebido a la polaridad de algunas cadenas laterales hidrófilas orientadas hacia la parte más externa de la proteína.Los dipolos de las moléculas de agua se orientan en torno a estos grupos según su carga eléctrica, y también seforman enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua y los aminoácidos polares sin carga de la superficieproteínica. Como resultado de estas interacciones cada macromolécula proteínica presenta una capa de solvataciónque impide su contacto con otras proteínas y, en consecuencia, su precipitación.

Desnaturalización. Ciertas modificaciones del medio fisiológico, tales como alteraciones de la concentracióniónica, adición de detergentes o sustancias orgánicas, variación delpH o elevación de la temperatura, disminuyen la solubilidad de lasproteínas y facilitan la agregación intermolecular y su posteriorprecipitación, con la consiguiente pérdida de su estructurabiológicamente activa y de sus propiedades. Este fenómeno se llamadesnaturalización y se produce por la desaparición de los enlacesde hidrógeno y atracciones electrostáticas; pero no afecta a los enlacespeptídicos, por lo que no se altera la estructura primaria de la proteína.

En algunos casos, si se revierten las condiciones aproximándolasa las fisiológicas y no se ha producido un daño irreversible (porejemplo, no se han formado agregados hidrofóbicos), podemosobservar una renaturalización, es decir, un nuevo plegamientocorrecto de la proteína y, consiguientemente, la recuperación de laactividad biológica [véase la ilustración 3.13]. Ilustración 3.13

Etapas de la renaturalización de una proteína. (Fuente:http://www.ehu.es/biomoleculas/proteinas/desnaturalizacion.htm)

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1.5. Clasificación de las proteínasActualmente se tiende a clasificar las proteínas según criterios estructurales (según la abundancia y distribución

de estructuras secundarias y supersecundarias) y evolutivos (al comparar secuencias de aminoácidos y estructurasde dominios se revelan sus proximidades filogenéticas). Se han construido así bancos de datos como SCOP(Structural Classification of Proteins). Más tradicionalmente se han clasificado las proteínas atendiendo a sucomposición química, dividiéndolas en:

1) Holoproteínas. Están constituidas solo por aminoácidos. Pueden ser fibrosas o globulares.

2) Heteroproteínas. Su composición incluye una molécula no proteínica llamada grupo prostético. Son todasglobulares y se clasifican según la naturaleza química de este grupo:

● Lipoproteínas. Son macromoléculas constituidas por una parte central que contiene lípidos apolares(colesterol esterificado y triacilgliceroles) y una capa externa polar formada por fosfolípidos, colesterollibre y proteínas. Algunas lipoproteínas, como las de la membrana plasmática, tienen un papel estructural;mientras que otras, como es el caso de las lipoproteínas sanguíneas, se encargan de transportar elcolesterol y las grasas. Estas lipoproteínas sanguíneas [véase el recuadro “¿Colesterol bueno y colesterolmalo?”] se dividen, en función de su tamaño y composición, en quilomicrones (QM), lipoproteínasde muy baja densidad (VLDL, por sus iniciales en inglés: very low density lipoproteins), lipoproteínasde densidad intermedia (IDL, intermediate density lipoproteins), lipoproteínas de baja densidad (LDL,low density lipoproteins) y lipoproteínas de alta densidad (HDL, high density lipoproteins).

● Glucoproteínas. Poseen glúcidos como grupo prostético. A este grupo pertenecen diversas hormonas,los proteoglucanos del líquido sinovial, de las secreciones mucosas o de la pared bacteriana, algunasenzimas, las glucoproteínas que se ha llan en las membranas celulares...


3UNIDAD

¿Colesterol bueno y colesterol malo?

Las lipoproteínas LDL y HDL se conocen popularmente como colesterol malo y colesterol bueno, respectivamente.Esta denominación es poco afortunada, puesto que las dos transportan la misma molécula —el colesterol— y, además,las siglas hacen referencia al tipo de lipoproteína que lo transporta.

La diferencia radica en que las LDL transportan al colesterol desde el hígado hacia los tejidos, en donde será utilizadopara formar membranas, sintetizar hormonas… Pero, a veces, diversos factores (hipertensión, obesidad…) dañan lasparedes de las arterias de mediano y grueso calibre; en estas zonas dañadas se depositan sustancias grasas, formandolas llamadas placas de ateroma [véase la ilustración 2.31]. Cuando las concentraciones de LDL son altas, el colesteroltransportado se deposita dentro de las placas de ateroma. Todo ello conduce a la aterosclerosis, enfermedad caracterizadapor el engrosamiento y pérdida de elasticidad de las paredes de las arterias, y relacionada con enfermedadescardiovasculares que conllevan un riesgo elevado de infarto de miocardio.

Por el contrario, las HDL eliminan el colesterol sobrante de las membranas celulares y de las paredes de las arterias ylo transportan hasta el hígado, donde es reutilizado o bien es excretado a través de la bilis (retira, pues, el colesterolde la sangre y algunos estudios muestran que altas cantidades de HDL en sangre protegen contra las enfermedadescardiovasculares).

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● Cromoproteínas. Su grupo prostético es un pigmento. Un ejemploes el grupo hemo de la hemoglobina, especializado en el transportede O2 y CO2 [véase la ilustración 3.14].

● Fosfoproteínas. En este caso el grupo prostético es ácido fosfórico(H3PO4). Se detectan, por ejemplo, en la yema de huevo (vitelina) y enla leche (caseína).

● Nucleoproteínas. El grupo prostético es un ácido nucleico [véase laUnidad 4], que puede ser ARN (un ejemplo son los ribosomas) o ADN(como los cromosomas eucarióticos).

1.6. Funciones de las proteínasLa gran diversidad de proteínas tiene su reflejo en el desempeño de múltiples funciones, que no son mutuamente

excluyentes. Por ejemplo, una proteína de membrana —esto es, con función estructural— puede ser simultáneamenteuna enzima. Entre estas funciones cabe destacar:

1) Estructural. Las proteínas están presentes en prácticamente todas las estructuras celulares; así, encontramosglucoproteínas en las membranas, tubulina en el citoesqueleto (una especie de armazón celular) y en loscilios y flagelos, nucleoproteínas en los cromosomas… También hallamos proteínas en el material extracelular,como el colágeno o las queratinas.

2) Enzimática. Las reacciones metabólicas ocurren gracias a catalizadores (sustancias que las aceleranpermaneciendo inalterables), específicos y de naturaleza proteínica, que reciben el nombre de enzimas;se estudiarán en la Unidad 4.

3) Transporte. En los seres vivos el transporte de sustancias es esencial y, así, encontramos proteínastransportadoras asociadas a membranas, o solubles en el medio interno, como las ya citadas lipoproteínasy la hemoglobina (que transporta oxígeno en la sangre).

4) Reserva. No es habitual que las proteínas funcionen como una reserva energética, pero sí como depósitode aminoácidos para el desarrollo del embrión. Es el caso de la ovoalbúmina de la clara de huevo, de lagliadina de la semilla de trigo o de la hordeína de la cebada.

5) Regulación hormonal. Las hormonas son sustancias que, distribuidas por la sangre, alcanzan las llamadascélulas diana, donde regulan ciertos procesos metabólicos. Son ejemplos de hormonas proteínicas el glucagóny la insulina (que regulan los niveles de glucosa en la sangre), las segregadas por la hipófisis (como lasomatotropina, que estimula el crecimiento de cartílagos y huesos) o la tiroxina (que activa el metabolismocelular y la producción de calor).

6) Defensiva. Algunas proteínas participan en la defensa de los organismos de forma inespecífica, como latrombina, que interviene en la coagulación de la sangre, o de modo específico, como las inmunoglobulinaso anticuerpos, que se unen a sustancias extrañas y las neutralizan (aspecto este que se desarrollará en laUnidad 10).

Ilustración 3.14

Estructura y función del grupo hemo (rojo).(Fuente: ASH)

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7) Movimiento y contracción. Son varias las proteínas con capacidad contráctil. Por ejemplo, la actina y lamiosina son las responsables de la contracción y relajación de las fibras musculares. Otras proteínas, comola tubulina y la dineína de los cilios de los eucariotas, o la flagelina del flagelo bacteriano, son responsablesdel desplazamiento de las células.

8) Recepción y transducción de señales. Muchas proteínas de la membrana plasmática actúan comoreceptores transformando, por ejemplo, la señal química de una hormona en una serie de modificacionesen el estado funcional de la célula.


3UNIDAD

1. ¿A qué se deben las características particulares de cada aminoácido?

2. Clasifica justificadamente los siguientes aminoácidos atendiendo a su cadena lateral: glutamina (Gln), cisteína(Cys), ácido glutámico (Glu), lisina (Lys) y leucina (Leu).

3. La fenilalanina (Phe) se distingue de la tirosina (Tyr) en que no tiene un grupo –OH unido al radical aromático (anillode benceno), lo que la convierte en apolar. ¿Clasificarías a la fenilalanina en el mismo grupo que la tirosina? Razonala respuesta.

4. ¿Todos los aminoácidos presentan actividad óptica e estereoisomería? Razónalo.

5. Indica la carga eléctrica que tendrán a pH 1 y a pH 14 los siguientes aminoácidos: alanina (Ala), acido aspártico(Asp) y lisina (Lys). Justifica la respuesta.

6. El grupo peptídico (integrado por los átomos de los grupos carboxilo y amino que participan en el enlace peptídico)forma un pequeño dipolo eléctrico. ¿Por qué?

7. Dos proteínas tienen los mismos aminoácidos en idéntica proporción pero ordenados de distinta manera, ¿tendránigual estructura primaria? Razona la respuesta.

8. ¿Qué diferencia existe entre los enlaces presentes en la estructura primaria de las proteínas y los que estabilizanlas estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria?

9. ¿Qué aminoácido es “más incómodo” a la hora de formar una α-hélice? ¿Por qué?

10. Sabiendo que el pelo está básicamente formado por queratina, investiga en qué consisten los moldeados o“permanentes” del cabello.

11. ¿Cómo solucionan las proteínas globulares solubles en agua el problema de los aminoácidos que presentan radicaleshidrófobos en su cadena lateral?

12. ¿Cuál puede ser la causa del rechazo a un órgano trasplantado?

A c t i v i d a d e s

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Las proteínas

� Son las biomoléculas más abundantes y, junto con los ácidos nucleicos, los más importantes compuestos nitrogenadosde los seres vivos.

� Están formadas por la unión, mediante enlaces peptídicos, de tan solo 21 tipos de aminoácidos (22 en las arqueasmetanógenas) que, repetidos y ordenados de diferentes modos, pueden dar lugar a un número astronómico decombinaciones distintas.

� Su estructura está jerarquizada en niveles de complejidad creciente; así hablamos de estructura primaria, secundaria,supersecundaria (motivos), terciaria, de dominios (superterciaria) y cuaternaria. Los tipos de estructura secundariamás frecuentes son la α-hélice, la lamina β y el giro β.

� Su funcionalidad depende de la secuencia de aminoácidos (estructura primaria) y de su correcta disposición espacial(estructura terciaria y estructura cuaternaria). Realizan multitud de funciones: enzimática, estructural, de transporte,de movimiento, defensiva, de reserva…

R e c u e r d a

13. Si se añade zumo de limón a un vaso de leche caliente observamos que esta se “corta” y aparece un precipitado,¿qué ha sucedido?

14. ¿Por qué el calor es uno de los métodos más empleados para esterilizar materiales?

15. Como acabamos de ver, las proteínas se pueden clasificar en función de su forma, de su naturaleza química y desu conformación. Clasifica según estos criterios las siguientes proteínas: hemoglobina, colágeno y mioglobina.

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2. Transporte a través de membranasComo vimos en la Unidad 2, Singer y Nicholson propusieron en 1972 un modelo de membrana denominado

modelo del mosaico fluido. Según dicho modelo, las membranas celulares estarían formadas por una bicapalipídica y una serie de proteínas distribuidas dentro de la bicapa o bien asociadas a ella, tanto por la capa externacomo por la interna. A los lípidos de la monocapa exterior también se podrían asociar glúcidos (glucolípidos), aligual que a las proteínas (glucoproteínas), formando el glucocáliz [véase la ilustración 2.38]. En la mayoría de lasmembranas hay un 50 por ciento de proteínas, un 40 por ciento de lípidos y un 10 por ciento de glúcidos.

2.1. Proteínas de la membrana plasmática y procesosde transporte

Las proteínas que forman parte de las membranas celulares, atendiendo a su disposición con respecto a labicapa lipídica, se pueden clasificar en:

1) Proteínas intrínsecas o integrales. Estas proteínas se hallan total o parcialmente inmersas en la bicapalipídica. Por esta razón presentan un sector lipofílico en contacto con el entorno hidrófobo. En el caso deque atraviesen completamente la bicapa, una o más veces —proteínas transmembranales—, tendrán,además, dos zonas polares (hidrofílicas) en contacto con los medios acuosos intra y extracelular. Muchasse difunden con cierta libertad en el plano de la membrana, como si flotaran en un mar de lípidos, aunquelas interacciones con el citoesqueleto restringen a menudo dicha movilidad. Pueden también, igual quelos fosfolípidos, rotar sobre su eje y experimentar cambios conformacionales, pero no pueden girar de modoque la parte orientada al exterior de la célula se dirija al citoplasma (flip-flop).

2) Proteínas extrínsecas o periféricas. Se hallan a ambos lados de la bicapa lipídica. Se trata de proteínassolubles, que en la mayoría de los casos están unidas por enlaces de hidrógeno o por interaccioneselectrostáticas a los dominios hidrofílicos de las proteínas intrínsecas y a las cabezas polares de los lípidosde la membrana.

Aun siendo los lípidos los principales responsables de la estructura e integridad de la bicapa, las proteínasdesempeñan las funciones más importantes de la membrana las. Entre ellas destacan la recepción de señalesexternas y su comunicación al interior celular, la catálisis de reacciones o el transporte de nutrientes y otras sustancias.Estudiaremos aquí únicamente esta última función.

Transporte de sustancias a través de la membrana plasmática

Para realizar sus actividades y construir sus estructuras la célula debe ingresar determinadas sustancias delexterior, desde pequeños iones a grandes macromoléculas, y en ocasiones hasta objetos mayores, como virus yfragmentos de otras células. Por otro lado, y como consecuencia de la actividad celular, se generan desechos quese han de eliminar y productos elaborados que hay que exportar. Así, la membrana plasmática se halla en el centrode un intenso tráfico de materia en ambos sentidos. Los procesos relacionados con dicho transporte pueden ser:

1) Transporte transmembranal de iones y pequeñas moléculas, que tiene lugar sin que se produzcanalteraciones visibles en la estructura de la membrana. Las modalidades de este tipo de transporte se puedenagrupar según diversos criterios:

A) Según las necesidades energéticas del proceso podemos distinguir entre:


3UNIDAD

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● Transporte pasivo, a favor de gradiente de concentración (desde la zona de mayor a la de menorconcentración) y sin gasto energético.

● Transporte activo en contra del gradiente eléctrico o de concentración, por lo que supone un gastode energía para la célula.

B) Según el número de solutos transportados y su sentido tendremos:● Uniporte o transporte de una sola sustancia, sea de modo pasivo o activo.● Cotransporte, o paso de dos sustancias al mismo tiempo. Se divide en:

○ Simporte, si las dos sustancias son transportadas en el mismo sentido.○ Antiporte, si una sustancia entra a la vez que la otra sale.

2) Transporte vesicular de partículas de elevada masa molecular, que conlleva una deformación de la membranavisible al microscopio. Puede dividirse en:● Endocitosis, o captación de partículas del medio externo.● Exocitosis, o vertido de las partículas al medio extracelular.● Diacitosis o transcitosis, que permite a una partícula entrar por un polo de la célula, atravesar todo

el citoplasma y salir por el polo opuesto.Conviene manejar la terminología adecuada a la hora de estudiar todos estosprocesos de transporte cuando están relacionados con la nutrición celular,distinguiendo entre ingestión (entrada de sustancias necesarias para elfuncionamiento de la célula), excreción (eliminación de productos de desecho) ysecreción (salida de sustancias útiles destinadas a la exportación).

2.2. Modalidades de transporte pasivoEstos procesos no consumen energía; antes bien, se acompañan de

una dispersión de energía (repásese lo explicado bajo el epígrafe 2.1 dela Unidad 1), es decir, de una disminución de la energía libre del sistema.Las modalidades de transporte pasivo son:

1) Difusión simple. Las moléculas apolares pequeñas, como el O2,el CO2 o el éter, se disuelven fácilmente en la bicapa lipídica ydifunden rápidamente a su través, hasta que la concentración seequilibra a ambos lados de membrana. Las moléculas pequeñaspolares pero no cargadas, como el agua o la urea, también difundenpasivamente, aunque más despacio [véase la ilustración 3.17].

2) Difusión a través de proteínas de canal. La difusión a través dela bicapa lipídica se circunscribe a muy pocas moléculas; inclusoalgunas de ellas, como el agua, se transportan a mayor ritmo graciasa unas proteínas integrales llamadas transportadores.

Se comprenderá el papel de dichas proteínas si se analiza eltransporte de iones (Na+, K+, Ca2+, Cl¯…) a través de una clase deellas, conocidas como canales. Para que los iones atraviesen laaltamente hidrofóbica bicapa lipídica es necesario antes eliminar lacapa de solvatación o hidratación que les rodea en disolución

Ilustración 3.16

Algunos tipos de transporte pasivo a través dela membrana. (Fuente: ASH)

Ilustración 3.17

Difusión simple de gases. Los gases como el oxígeno (O2)o el dióxido de carbono (CO2) pueden difundir libremente através de la membrana plasmática. Su movimiento es errático(flecha quebrada, a la izquierda), y ocurre en cualquier direc-ción; pero, en conjunto, y simplemente por razones estadís-ticas, hay un movimiento neto de moléculas desde la regiónmás concentrada a la más diluida (derecha). (Fuente: ASH)

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acuosa [véase la ilustración 1.28], y luego restaurarla al otro ladode la membrana. Con ese fin, las citadas proteínas establecen inte-racciones no covalentes con los iones deshidratados, medianteaminoácidos polares ubicados en el canal que delimitan; dichasinteracciones reemplazan a los enlaces de hidrógeno con el aguay facilitan un paso hidrofílico a través de la membrana. La energíaque se usa en romper la capa de solvatación se recupera cuandolos iones se rehidratan, por lo que netamente no se consumeenergía en el proceso.

Existen canales específicos para cada tipo de ion. Los máscomunes, los canales de fuga de K+ [véase la ilustración 3.18],se localizan en la membrana plasmática de casi todas las célulasanimales y están permanentemente abiertos. La concentración deK+ suele ser elevada en el interior celular, contrarrestando así lascargas negativas habituales en muchas macromoléculas (proteínas,

ácidos nucleicos…); por tanto, el K+ tenderá a salir de la célula impelido por su gradiente de concentracióny, como las macromoléculas no pueden seguirle, se generará una diferencia de potencial eléctrico entre

ambos lados que se conoce como potencial demembrana. Su valor, dependiendo del tipo de célula,varía entre –20 y –200 mV (negativo en el interior).

En general, no obstante, los canales solo se abrenbrevemente en respuesta a un cambio en el potencialde membrana (canales regulados por voltaje, comoel que facilita la entrada de Na+ a las neuronas) o a launión a una molécula específica (canales reguladospor ligando, como el canal de Ca2+ de las célulasmusculares, que se abre al unirse al neurotransmisor).

3) Transporte mediado o facilitado. Es el que ocurre gracias a las permeasas. Se trata de uniportadoresque facilitan la entrada o la salida de moléculas pequeñas, como monosacáridos, a favor de su gradientede concentración.

Para ello se unen al soluto que debe transportarse y experimentan cambios conformacionales reversiblesque permiten su transferencia [véase la ilustración 3.19]. Dicha unión es muy específica, hasta el puntode distinguir estereoisómeros de una misma sustancia; por ejemplo, solo existen permeasas para laD-glucosa. El transporte mediado es mucho más lento que la difusión libre, ya que en lugar de producirsepor toda la bicapa lipídica lo hace a través de una cantidad limitada de moléculas de permeasa que, además,pueden saturarse (recibir soluto a un ritmo mayor del que se requiere para transportarlo).


Ilustración 3.18

Transporte de iones a través de proteínas canal.(Fuente: http://opm.phar.umich.edu/ y ASH)

Ilustración 3.19

La permeasa de glucosa es un transportador reversible: igual puedetransportar glucosa desde el exterior al interior de la célula como ensentido inverso. El que proceda ne-tamente de una u otra maneradependerá de la distinta concentración de glucosa a ambos lados de lamembrana: si hay más en el exterior, el ciclo esquematizado arribatranscurrirá en el sentido de las agujas del reloj; en caso contrario operaráa la inversa. (Fuente: ASH)

UNIDAD 3

93

4) Ósmosis. El transporte pasivo de agua a través de la membrana merece un tratamiento aparte. Ya hemosindicado que las bicapas lipídicas son poco permeables al agua, pero unas proteínas integrales llamadasacuaporinas proporcionan canalesespeciales para su rápido transportea través de la membrana. En conse-cuencia, el agua se desplazará desdela región de mayor concentraciónacuosa hasta la de menor. Esteproceso es la ósmosis.

Ahora bien, ¿dónde es mayor la “con-centración de agua”: en el citoplasmao en el medio extracelular? Como yase ha dicho, las células tienenmacromoléculas muy cargadas, asícomo azúcares o aminoácidos, paralos que la membrana plasmática esimper- meable, y que atraen iones designo opuesto. En principio, pues, lacélula tendrá una mayor concentraciónde solutos en su interior respecto delexterior, (se dice que el interior celulares hipertónico y el exterior hipo-tónico), lo que deja menos sitio paralas moléculas de agua en el interior;

Diálisis

En bioquímica, la diálisis es el proceso de separar las moléculas en una solución por ladiferencia en sus índices de difusión a través de una membrana semipermeable, estoes, una membrana que deja pasar el disolvente pero no el soluto. Esta técnica que funcionacon el mismo principio que diálisis médica.

Básicamente, el procedimiento es como sigue. Se coloca una solución con varios tiposde moléculas en una bolsa semipermeable —por ejemplo, en una membrana de celulosacon poros— que posteriormente es sellada, tras lo cual se coloca en un recipiente conuna solución diferente o con agua pura.

El resultado es que las moléculas lo suficientemente pequeñas como para pasar a travésde los poros (a menudo agua, sales y otras moléculas pequeñas) tienden a moverse através de la membrana en la dirección de la concentración más baja [véase la ilustración3.20]. Las moléculas más grandes (a menudo proteínas, ADN, o polisacáridos), que tienedimensiones significativamente mayores que el diámetro del poro, son retenidas dentrode la bolsa de diálisis.

Esta técnica se utiliza, por ejemplo, para separar sales de una solución de proteínas, perono sirve para separar distintos tipos de proteína, puesto que todas ellas presentan grantamaño molecular y ninguna puede atravesar los poros.

Ilustración 3.20

Esquema comparativo de losprocesos de diálisis, difusión yósmosis. (Fuente: ASH)

Ilustración 3.21

Flujo osmótico, plasmolisis y turgescencia. (Fuente: ASH y http://commons.wikimedia.org/wiki)

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como consecuencia, el agua estará más “concentrada” fuera de la célula, por lo que tenderá a entrar en lacélula hasta que ambas concentraciones se equilibren; en tonces diremos que los medios externo e internoson isotónicos [véase la ilustra ción 3.21]. A medida que entra agua la célula se va hinchando (fenómenoconocido como turgescencia) y la presión en su interior (la llamada presión osmótica) puede aumentarhasta el punto de reventarla.

Para evitar esta catástrofe las células recurren a diversos mecanismos. De entrada hay que considerar quela presión osmótica depende del número de partículas disueltas, no de su masa2; por ello, una medida pararelajar la presión osmótica es almacenar el combustible celular en forma de polisacáridos (almidón oglucógeno), y no como glucosa: un gramo de glucosa ejerce una presión mil veces superior a la de un gramode polisacárido formado por mil restos de glucosa. Además, la pared celular de las plantas es losuficientemente rígida como para resistir una alta presión osmótica e impedir que la célula estalle. Algunosprotozoos de agua dulce poseen vacuolas pulsátiles que acumulan el exceso de agua y, cuando estánllenas, se contraen y la expulsan al exterior. Según veremos, las células animales bombean activamenteiones como Na+ hacia el líquido intersticial para compensar el exceso de solutos del citoplasma y reducirla presión osmótica.

Si el medio intracelular fuese hipotónico respecto alextracelular —lo que ocurriría, por ejemplo, al regarplantas con agua salada— se daría el fenómenoosmótico contrario, es decir, la salida de agua; en elcaso de las células vegetales observaríamos cómose deshidratan, lo que conduciría a la separación dela membrana plasmática de la pared celular y,finalmente, a la muerte celular (plasmólisis) [véasela ilustración 3.21].

2.3. Modalidades de transporte activoEl transporte activo se realiza en contra de un gradiente de concentración, de un gradiente eléctrico o de ambos

(electroquímico). Por lo tanto, solo ocurrirá si se acopla a un proceso que libere energía. Según cuál sea dichafuente de energía podemos distinguir:

1) Transporte activo primario. Tiene lugar gracias a proteínas de membrana llamadas bombas, que obtienenenergía a partir de la hidrólisis de ATP (proceso que se detallará en la Unidad 8). Entre las distintas clasesde bombas cabe citar:

A) Bombas de clase P, así llamadas porque el ATP las fosforila (o sea, les añade un grupo fosforilo,representado por P) reversiblemente, induciendo en ellas un cambio conformacional que obliga a loscationes a moverse [véase la ilustración 3.22]. Un ejemplo es la bomba de Na+/K+, un antiportador queintroduce dos iones K+ (compensando así los que se pierden por el canal de fuga de K+) y extrae tresNa+ [véase la ilustración 3.23]; el continuo bombeo de Na+, tarea en la que un ser humano en reposoinvierte el 25 por ciento de su consumo energético, mantiene una baja concentración intracelular deiones, lo que impide la entrada masiva de agua por ósmosis en las células animales.


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2 Además de la presión osmótica, existen otras propiedades del agua que dependen solo del número de moléculas de soluto por unidadde volumen (es decir, de la concentración), como, por ejemplo, los puntos de fusión y de ebullición. Estas propiedades se llamanpropiedades coligativas (“ligadas”).

Ilustración 3.22

Algunos tipos de transporte activo a través de la membrana plasmática.(Fuente: ASH)

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Otro ejemplo es la bombade Ca2+de las células mus-culares, que extrae dicho iondel citosol y lo almacena enuna red de sacos membra-nosos conocida como retí-culo sarcoplásmico, lo queinduce la relajación muscu-lar —cuando llega la señaladecuada, el calcio se libe-ra masivamente al citosol yse desencadena la contrac-ción muscular—. En la mem-brana plasmática existe tam-bién una bomba que expul-sa Ca2+ hacia el exterior dela célula.

B) Bombas de clase F, quetransportan H+ en un proce-so en el que no se generanintermediarios fosforilados.La ATPasa FOF1 de la mem-brana de las mitocondrias yla ATPasa CFOF1 de los cloroplastos son bom-bas F involucradas en la síntesis de ATP quese estudiarán en las unidades 8 y 9, respec-tivamente.

C) Bombas de clase V, similares a las F perosituadas en las membranas de comparti-mentos intracelulares (genéricamente conoci-dos como vacuolas; de ahí la V) a cuyo interiorbombean H+, aumentando su acidez.

2) Transporte activo secundario. Se da cuando unantiportador o un simportador impulsa a un solutoen contra de su gradiente de concentración,usando para ello la energía liberada en el flujo afavor de gradiente de otro soluto —que,previamente, había sido bombeado “cuesta arriba”mediante un transporte activo primario—. Sonejemplos:

● El simportador de Na+/glucosa [véanse lasilustraciones 3.22 y 3.24], localizado en lascélulas que revisten la mucosa del intestinodelgado, bombea glucosa desde la luz

Ilustración 3.23

Mecanismo de la bomba de Na+/K+.(Fuente: ASH)

Ilustración 3.24

El simportador de Na+/glucosa es capaz de bombear moléculas de glucosa en contrade un gradiente de concentración (ya que, aunque la célula tenga más glucosaque en el exterior, necesitará incorporar aún más para mantener sus funciones vitales).La energía necesaria la obtiene de la difusión de iones Na+ a favor de un gradientede concentración (la concentración de Na+ es mayor en el medio extracelular).(Fuente: ASH)

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intestinal gracias al transporte paralelo de Na+, cuya concentración externa es elevada al ser continuamenteextraído por la bomba de Na+/K+.

● El antiportador de Na+/Ca2+ [véase la ilustración 3.22], que sustituye a la bomba de Ca2+ en las célulasmusculares del corazón, aprovecha la entrada pasiva de Na+ para expulsar activamente Ca2+ y reducirla fuerza de la contracción cardiaca.

2.4. Transporte vesicularEn las células procariotas todo el intercambio de materia con el exterior transcurre a través de la membrana

plasmática, mediante los mecanismos ya descritos. Pero las células eucariotas han desarrollado además un com-plejo sistema de membranas internas que les permite englobar macromoléculas y partículas de gran tamaño —proceso conocido como endocitosis—y digerirlas dentro de la propia célulacon las enzimas almacenadas en los li-sosomas. Este sistema de membranasfaculta asimismo a las células eucario-tas para modificar proteínas recién sin-tetizadas, almacenarlas y secretarlascuando son necesarias mediante el pro-ceso denominado exocitosis.

La ruta endocítica

En la endocitosis, el material queingiere la célula es rodeado por unaporción de la membrana plasmática, queprimero experimenta una invaginación(repliegue hacia el interior) y luego seestrangula, originando una vesículaendocítica. Según la naturaleza de las partículas englobadas y del tipo de vesícula que se forme se distinguenvarias formas de endocitosis:

1) Endocitosis mediada por receptor. Este proceso comprende las siguientes etapas:

● Unos receptores específicos de la membrana plasmática reconocen y se unen a las moléculas a ingresar(los ligandos).

● Los receptores unidos a sus ligandos difunden hasta regiones especializadas de la membrana, los hoyoso depresiones revestidas de clatrina, que a su vez excluyen a otras proteínas de membrana. La clatrinaes una proteína filamentosa que se ensambla en la cara interna de la membrana formando una red depentágonos y hexágonos semejante a un cesto, e induce la deformación de los hoyos hasta convertirlosen vesículas revestidas; en el proceso participan otras proteínas, como las adaptinas o la dinamina[véase la ilustración 3.25].

● Cuando la vesícula se ha separado de la membrana se libera rápidamente de la cubierta de clatrina (quese dirige a la membrana para formar nuevos hoyos revestidos) y experimenta una creciente acidificaciónde su medio interno debida a bombas de clase V que inyectan H+. Como consecuencia, los ligandosse disocian progresivamente de sus receptores.


3UNIDAD

Ilustración 3.25

La absorción de colesterol, transportado por lipoproteínas de baja densidad (LDL), es un ejemplode endocitosis mediada por receptor. (Fuente: ASH)

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● Simultáneamente se añaden, por fusión, nuevas vesículas recién llegadas de la membrana con su cargade receptores y ligandos, a la par que los receptores desprovistos de sus ligandos se agrupan en vesículasaplanadas que retornan a la membrana plasmática, reciclándolos. Así pues, nos encontramos frente auna especie de intercambiador en la ruta de importación de la célula. Este orgánulo se llama endosoma.Habitualmente los endosomas, o porciones de ellos, se fusionan con lisosomas primarios —vesículascargadas de enzimas hidrolíticas que digieren a los ligandos—, como veremos en la Unidad 9.

Se conocen más de veinticinco receptores diferentes que utilizan la ruta de los hoyos revestidos declatrina, como los receptores de LDL, esto es, las lipoproteínas que transportan colesterol [véase lailustración 3.25], o los de transferrina —una proteína que transporta hierro por la sangre—. Ciertoscasos de hipercolesterolemia familiar están directamente relacionados con la síntesis defectuosa de losreceptores de LDL.

2) Pinocitosis. Este término, derivado del griego pinō (“beber”), alude a la captación inespecífica de pequeñasgotas de líquido extracelular y del material disuelto en él, mediante la formación de vesículas pinocíticas;estas suelen estar revestidas de clatrina, aunque a menudo la pinocitosis se inicia en caveolas (pequeñasinvaginaciones de la membrana plasmática) recubiertas de una proteína llamada caveolina. Hay células queingieren cada media hora una cantidad de líquido igual a la octava parte de su propio volumen… junto contoda su membrana plasmática. Es evidente que la membrana que se adentra mediante pinocitosis deberetornar rápidamente a la superficie por exocitosis; de hecho, la pinocitosis es la principal proveedora demembranas para formar vesículas de exocitosis.

3) Fagocitosis. En el caso de grandes partículas como microorganismos o restos celulares, algunas célulasemiten pseudópodos, proyecciones de la membrana y del citoplasma dirigidas por actina (una proteínacontráctil del citoesqueleto) que rodean la partícula a ingerir hasta formar una vesícula de gran tamaño —el fagosoma—; posteriormente, el fagosoma se fusionará con un lisosoma primario para digerir la partícula[véase la ilustración 3.26]. Diversosprotozoos se alimentan porfagocitosis, pero en los animales solociertas células sanguíneas, como losmacrófagos, llevan a cabo esteproceso, y siempre con el fin deeliminar microorganismos infecciososo células moribundas (cien milmillones de glóbulos rojos de unapersona se fagocitan así cada día).La fagocitosis no es un procesoinespecífico, ya que depende dereceptores de anticuerpos y de otrasproteínas que previamente se unenal intruso, como veremos en laUnidad 10 (y anticipamos en lailustración 3.26).

Ilustración 3.26

Fagocitosis de bacterias: un macrófago fagocita un neumococo, y una célula del mesenterio a unaRickettsia. (Fuentes: http://phil.cdc.gov/phil y ASH)

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La maquinaria de exportación celular

La fusión de vesículas de transporte procedentes del citoplasma con la membrana plasmática (exocitosis)es el proceso complementario a la endocitosis.

Las proteínas de membrana y los lípidos de tales vesículas aportan nuevos componentes a la membrana plasmática— con el fin de mantener constante el área de su superficie, detraída continuamente por la endocitosis—, mientrasque las proteínas solubles de su interior son secretadas para formar parte de la matriz extracelular.

Toda célula eucariota presenta esta, así llamada, secreción constitutiva. Pero muchas células disponenademás de una segunda ruta secretora, en la que múltiples productos sintetizados por ellas (hormonas, proteínasdel plasma sanguíneo, enzimas digestivas…) se almacenan en vesículas de secreción, y solo se liberan si lascélulas reciben una señal específica procedente de un estímulo externo; es la llamada secreción regulada, propiade células especializadas, como las de las glándulas exocrinas (que segregan sus productos sobre la superficiedel cuerpo o en una cavidad interna, en particular en el tubo digestivo; por ejemplo, las sudoríparas, el páncreas…)o endocrinas (que segregan sus productos a los líquidos circulantes; por ejemplo, la tiroides, la hipófisis…). Porúltimo, en los protozoos la exocitosis tiene una función excretora.

La elaboración de productos de exportación y su empaquetamiento en vesículas de transporte corren a cargode una compleja cadena de montaje constituida por dos sistemas de membranas: el retículo endoplasmático y elaparato de Golgi.

1) Retículo endoplasmático (RE). Es una red de sáculos aplanados y túbulos ramificados que se extiendepor todo el citoplasma, en continuidad con la envoltura nuclear [véase la Unidad 5]. Los túbulos y sáculosestán seguramente interconectados, de modo que la membrana del RE delimita un único espacio internoconocido como lumen del RE. La membrana del RE está constituida de acuerdo con el mismo patrón debicapa lipoproteínica que identifica a la membrana plasmática, aunque exhibe una peculiaridad: su caracitosólica, la externa, se halla tachonada por grandes corpúsculos. Se trata de ribosomas, auténticasfactorías con las que toparemos de nuevo al final de la Unidad 6. Muchas de las proteínas que fabrican,destinadas sobre todo a la exportación, son inyectadas al interior de los túbulos a través de poros proteínicosllamados translocones; otras, que acabarán residiendo en la membrana plasmática o en la de algún otroorgánulo, se quedan en la membrana del RE.

Las regiones del RE en las que abundan los ribosomas forman el retículo endoplasmático rugoso (RER),así llamado por el aspecto que presenta al microscopio electrónico. Aquí, las proteínas sintetizadas porlos ribosomas experimentan diversas modificaciones, la principal de las cuales es la glucosilación, estoes, la adición de un oligosacárido formado por 14 restos de N-acetil glucosamina, manosa y glucosa. Enmuchos casos el oligosacárido sufre una “poda” de restos de glucosa terminales, lo que sirve como señalde que la proteína está correctamente plegada; en caso contrario, las chaperonas pueden facilitar suplegamiento, y si no lo logran (lo que a veces ocurre a un 80 por ciento de ellas), las proteínas mal plegadasabandonarán el RER por el mismo conducto que les sirvió de entrada para ser degradadas en el citosol.

A medida que las proteínas avanzan por el RE atraviesan cámaras en las que disminuye paulatinamentela densidad de ribosomas adheridos a sus membranas. Estas adquieren un aspecto más terso, lo que motivael nombre de retículo endoplasmático liso (REL) con el que se conocen dichas regiones. En muchascélulas son escasas, y sirven solo como lugares de donde emergen vesículas de transporte de proteínasy lípidos recién fabricados hacia el aparato de Golgi. Pero en algunas células especializadas el REL abunda,y desempeña otras funciones:

● Síntesis de casi todos los lípidos de membrana, como los fosfolípidos y el colesterol y, en determinadascélulas, de hormonas esteroideas. En las células del hígado (hepatocitos), el REL fabrica lipoproteínas,como las LDL.


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● Reacciones de destoxificación. El REL de los hepatocitos convierte fármacos insolubles en agua ycompuestos derivados del metabolismo, cuya acumulación resultaría tóxica, en sustancias hidrosolubleseliminables con la orina. El REL de protozoos y macrófagos contribuye a deshacerse de residuos de ladigestión de partículas ingeridas por endocitosis.

● Secuestro de Ca2+ del citosol y su posterior liberación, en respuesta rápida a señales extracelulares(como estímulos nerviosos). En los miocitos, o células musculares, hay regiones del REL especializadasen esta función que forman el retículo sarcoplásmico —el cual rodea a las miofibrillas de dos proteínascontráctiles, la actina y la miosina—, ya citado al hablar del transporte activo.

2) Aparato de Golgi. Muchas de las proteínas quehan sido correctamente plegadas y ensambladasen el RE son empaquetadas en vesículas detransporte revestidas de COP II —proteína análogaa la clatrina— que se dirigen hacia la siguienteetapa de la vía secretora: el aparato o complejode Golgi.

Descubierto en 1898 por el médico e histólogoitaliano Camillo Golgi —quien, como vimos en laUnidad 1, inventó un método de tinción que llevasu nombre—, está formado por sacos aplanadoso cisternas que se apilan formando agrupacionesllamadas dictiosomas. Un dictiosoma suelecontener entre 4 y 6 cisternas (en algunosprotozoos puede haber hasta 60), mientras que elnúmero de dictiosomas varía entre 5 o 6 y variasdecenas, según el tipo de célula.

Cada dictiosoma presenta una cara cis próximaal RE y una cara trans orientada a la superficiecelular. Ambas caras están estrechamenteasociadas a sendas redes de estructuras tubularesy cisternas: la red del cis-Golgi y la red del trans-Golgi, respectivamente. La red del cis-Golgi seforma por fusión de vesículas procedentes del RE,y su comportamiento recuerda al de losendosomas: algunas de las proteínas que ingresanen ella retornan al RE en vesículas revestidas de la proteína COP I; otras continúan a través del dictiosoma,pasando primero por el compartimento cis-Golgi (las cisternas adyacentes a la cara cis), luego por el medial(la cisterna central del dictiosoma) y, finalmente, por las cisternas de la cara trans.

Existe cierto debate acerca de cómo las proteínas y los lípidos se desplazan de una cisterna a otra.Primeramente se pensó en vesículas de transporte que se formarían en una cisterna y se fusionarían conla siguiente; según un modelo alternativo —aunque no excluyente—, son las propias cisternas las que sedesplazan físicamente, con su contenido, desde la cara cis a la trans: la red del cis-Golgi “madura” hastaformar una cisterna cis, esta se transforma en una medial… Sea cual sea el mecanismo [véase la ilustración3.28], hay dos hechos bien establecidos:

Ilustración 3.27

Fotografías tomadas con el MET del retículo endoplasmático rugoso (arriba) ydel aparato de Golgi (abajo).(Fuente: http://remf.dartmouth.edu/imagesindex.html)

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● A lo largo de su recorrido a través del dictiosoma,los lípidos y las proteínas experimentan cambiosen los oligosacáridos adquiridos en el RE, así comola adición de nuevos azúcares, de grupos fosforiloo de ácidos grasos, transformándose en moléculasbiológicamente activas.

● Las enzimas que actúan en cada compartimentodel aparato de Golgi inevitablemente se desplazan,junto con las proteínas y lípidos a los que modifican,hacia compartimentos más avanzados, por lo quees necesario recuperarlas mediante vesículas detransporte retrógrado [véase, de nuevo, lailustración 3.28].

La mayoría de las proteínas alcanza finalmente la reddel trans-Golgi, una especie de oficina de correos celular dondelas proteínas son clasificadas, empaquetadas en vesículas detransporte revestidas de clatrina y enviadas a un destino. Elmecanismo de clasificación depende de modificacionesintroducidas en las proteínas a lo largo de su recorrido porel aparato de Golgi:

a) La presencia de manosa fosforilada etiqueta a unaproteína como enzima hidrolítica y la seleccionapara su empaquetamiento en una vesículadestinada a un lisosoma.

b) Según parece, otras señales análogas dirigen a lasproteínas de secreción al interior de vesículas de secreción regulada.

c) Por último, las proteínas que no cuentan con ninguna señal particular son transportadas directamente a lasuperficie celular mediante la vía de la secreción constitutiva, explicada al comienzo de este epígrafe.

2.5. Transporte a través de células epitelialesLas células que tapizan la mucosa intestinal, las paredes

del estómago o los túbulos renales presentan algunaspeculiaridades en lo referente al transporte. Estas célulasforman un tejido conocido como epitelio y se hallanpolarizadas, esto es, uno de sus lados tiene estructuras yfunciones diferentes de las del lado opuesto. Así, en las célulasepiteliales del intestino es posible distinguir claramente:

● Una superficie apical orientada a la luz intestinal,especializada en la absorción de nutrientes. Presenta unosrepliegues o microvellosidades que se forman a partirde filamentos del citoesqueleto y sirven para aumentarla superficie de absorción sin incrementar el volumen totalde la célula [véase la ilustración 3.29].


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Ilustración 3.28

La vía secretora en la síntesis y la distribución de las proteínassintetizadas por los ribosomas del retículo endoplasmático rugoso.(Fuente: ASH)

Ilustración 3.29

Vellosidades y microvellosidades del epitelio intestinal.(Fuentes: http://remf.dartmouth.edu/imagesindex.html y ASH)

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● Una superficie basolateral, formada por las zonas basal y lateral de la membrana plasmática, que mediael transporte de nutrientes desde la célula hacia la sangre.

La polarización celular es necesaria para que el transporte, tanto transmembranal como vesicular, ocurra segúnuna dirección única:

1) Transporte transmembranal. Por ejemplo, en la superficie apical del epitelio intestinal está el simportadorde Na+/glucosa, que importa glucosa desde la luz intestinal hasta el citoplasma en contra de su gradientede concentración, acoplada a la entrada energéticamente favorable de Na+. En la membrana basolateral,en cambio, se ubica una permeasa que exporta glucosa desde la célula hasta el líquido circulante a favorde gradiente, así como la bomba de Na+/K+, que expulsa todo el Na+ que ha entrado. El resultado netoes la transferencia selectiva de glucosa y Na+ a través de las células del epitelio; y se lleva a cabo porquelas proteínas específicas de cada etapa se concentran en lugares distintos de la membrana plasmática.

2) Transporte vesicular. A menudo, la endocitosis en una de las superficies de las células epiteliales va seguidade la exocitosis en el lado opuesto. Este proceso recibe el nombre de diacitosis (del griego día, “a travésde”) o transcitosis y permite, por ejemplo, que los anticuerpos de la leche materna atraviesen el epiteliointestinal de un bebé y se distribuyan por su torrente sanguíneo: tras ser captados por receptores en lasuperficie apical, englobados en vesículas revestidas y transferidos a endosomas se desplazan, en lugarde a un lisosoma, a un compartimento llamado endosoma de reciclaje; desde el mismo, se dirigen envesículas de exocitosis hacia la superficie basolateral.

Uniones intercelulares

Puesto que las proteínas de membrana pueden difundirse a través de la bicapa lipídica, ¿qué impide a lasproteínas del lado apical de una célula epitelial mezclarse con las del basolateral, destruyendo así la polarizacióncelular? La respuesta reside en las uniones intercelulares [véase la ilustración 3.30], complejos de proteínastransmembranales que se localizan (sobre todo en epitelios, pero también en otros tejidos animales) en las regionesde contacto entre células vecinas o entre una célula y la matriz extracelular. Entre ellas se distinguen:

1) Uniones oclusivas (uniones estrechas en vertebrados o uniones septadas en invertebrados), que formanuna especie de cinturón o barrera contra la migración de proteínas de membrana entre las regiones apicaly basolateral. También sellan los espacios existentes entre células vecinas, limitando la difusión hacia la luzintestinal de los nutrientes ya bombeados.

2) Uniones de anclaje, que conectan el citoesqueleto de una célula al de sus vecinas o a la matriz extracelular,formando una sólida estructura capaz de resistir tensiones mecánicas. Entre ellas, las llamadas unionesadherentes forman una banda continua justo por debajo de las uniones oclusivas, mientras que losdesmosomas son como “puntos de soldadura” entre placas de anclaje proteínicas de células vecinas. Sontípicas de la epidermis.

3) Uniones comunicantes, como las uniones en hendidura. Constan de dos conexones (agregadoshexagonales de la proteína conexina), incrustados en la superficie de sendas células; al alinearse formanun canal acuoso que las conecta y permite el intercambio de iones y pequeñas moléculas entre ellas. Deeste modo se transmiten impulsos nerviosos entre ciertas neuronas o se sincroniza la contracción de lasfibras musculares cardiacas.

En las células vegetales hay uniones comunicantes llamadas plasmodesmos [véase la ilustración 2.16],que a modo de finos canales atraviesan las paredes de células contiguas; la membrana plasmática de ambascélulas se continúa en cada plasmodesmo. Su formación tiene lugar durante la división celular, en el momento

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de la síntesis de la nueva pared que servirá de separación entre las dos células hijas, aunque tambiénpueden insertarse en una pared celular primaria ya existente formando agrupaciones llamadas campos deporos primarios. En estas estructuras se inhibe el depósito de celulosa durante la formación de la paredsecundaria, tras lo cual los campos de poros primarios pasan a denominarse punteaduras.

Ilustración 3.30

Uniones intercelulares: desmosomas, uniones oclusivas y comunicantes.(Fuente: http://commons.wikimedia.org/wiki)

A c t i v i d a d e s

16. ¿Por que una hormona esteroidea atraviesa fácilmente la membrana plasmática?

17. El antibiótico gramicidina es un ionóforo (molécula hidrofóbica que se fija a uno o varios iones metálicos y es capazde difundir a través de la membrana, transportando consigo los iones), ¿cuál será su mecanismo de acción?

18. Un tubo en forma de U está dividido en su parte central por una membrana que es impermeable al almidón peropermeable al agua. Se coloca un determinado volumen de una solución de almidón al 10 % en la mitad derechadel tubo, y el mismo volumen de una solución de almidón al 6 % en la mitad izquierda; ¿qué acontecimiento tendrálugar? Razónalo.

19. A 20 ºC la presión osmótica de una disolución 10 mM de glucosa es de 0,24 atmósferas, ¿cuál será en idénticascondiciones la de una disolución 10 mM de glucógeno (con 20 000 restos de glucosa por molécula)? ¿Y la deuna disolución 10 mM de NaCl

20. Introducimos durante unos minutos eritrocitos en tres tubos de ensayo que contienen un medio isotónico respectoa su citoplasma (tubo 1), hipertónico (tubo 2) o hipotónico (tubo 3). ¿Cómo se verán los eritrocitos al microscopioen cada uno de los tres experimentos?

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21. La oubaína, un veneno extraído de ciertos árboles de Somalia, inhibe la bomba de Na+/K+. ¿Por qué se hinchanmuchas células animales al tratarlas con oubaína? ¿Por qué se utiliza como fármaco para el tratamiento de lainsuficiencia cardiaca?

22. La terapia rehidratante oral ha salvado millones de vidas en países afectados por el cólera: la deshidratacióncausada por la diarrea se combate eficazmente ingiriendo una solución de azúcar y sal. ¿En qué se fundamentaesta práctica?

23. ¿Qué tipo de proteínas de la membrana intervienen en la endocitosis mediada por receptor? ¿Existe algún tipo deespecificidad en esta modalidad de transporte?

24. Explica para qué se fusionan las vesículas de endocitosis con los lisosomas.

25. Indica si los siguientes procesos son de excreción, de secreción constitutiva o de secreción regulada: liberaciónde enzimas digestivas, liberación de neurotransmisores durante la transmisión del impulso nervioso, fusión devesículas con la membrana plasmática, eliminación de sustancias tóxicas por las células hepáticas, exocitosis dehormonas.

26. ¿Qué tipo de células contendrá mayor número de ribosomas, una que almacena grasas u otra que fabrica nuevascélulas, como las epidérmicas? Razona la respuesta.

27. Los glóbulos rojos de los mamíferos carecen de núcleo. ¿Su retículo endoplasmático estará más o menos desarrolladoque el de una célula nucleada? Razona la respuesta.

28. ¿Es posible que en una célula coexista un retículo endoplasmático liso y un aparato de Golgi, ambos muydesarrollados? Razona la respuesta.

29. Realiza un esquema que represente la ruta que sigue una proteína desde su síntesis hasta su exportación fuera dela célula.

30. Algunas arritmias cardíacas graves están relacionadas con fallos en la síntesis de determinadas proteínas queparticipan en las uniones intercelulares. ¿Qué tipo de uniones se verán afectadas? ¿Y qué proteínas?

R e c u e r d a

� Las proteínas de membrana pueden ser integrales, si atraviesan completamente la bicapa, o periféricas, si estánasociadas a la cara externa o interna de la misma. Desempeñan funciones muy importantes, como el intercambiode sustancias entre el medio y la célula.

� El intercambio de materia entre el exterior y el interior de la célula puede realizarse:● Sin modificación apreciable de la membrana plasmática, cuando se limita a moléculas de pequeño tamaño.

Puede tener lugar por difusión simple o a través de canales, por difusión facilitada mediante permeasas(sin gasto de energía en todos los casos) o por transporte activo (con gasto de energía). Un caso especiales la ósmosis, o paso de agua de un medio diluido (hipotónico) a otro más concentrado (hipertónico) através de una membrana semipermeable.

● Con deformación de la membrana plasmática, para incorporar o secretar partículas de gran tamaño, mediantelos procesos de endocitosis (mediada por receptor, pinocitosis o fagocitosis) y de exocitosis, respectivamente.La exocitosis está precedida por el ensamblaje, plegamiento, modificación y clasificación de proteínas en elretículo endoplasmático y el aparato de Golgi.

UNIDAD 3 en acción. Proteínas - adistanciaginer · 74 La membrana plasmática 3 en acción....

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